Stabilitní studie hydrogelů s obsahem syrovátkových bílkovin. Bc. Pavlína Holčapková

Transkript

1 Stabilitní studie hydrogelů s obsahem syrovátkových bílkovin Bc. Pavlína Holčapková Diplomová práce 2014

2

3

4

5

6 ABSTRAKT Diplomová práce se zabývá hydrogely a syrovátkovými proteiny a popisuje jejich vlastnosti, klasifikaci a možnosti využití. V praktické části byla prováděna stabilitní studie hydrogelů na bázi kyseliny polyakrylové, které obsahují syrovátkové bílkoviny, vitaminy a další aktivní látky. Vyrobené hydrogely byly podrobeny zrychlenému zátěžovému testu, během kterého bylo měřeno ph a viskozita (pomocí vibračního viskozimetru SV-10). Také byly prováděny mikrobiologické testy a hodnocení klientského komfortu. Klíčová slova: hydrogel, syrovátkové bílkoviny, stabilitní studie, zátěžové testy, viskozita ABSTRACT This thesis deals with hydrogels and whey proteins, and describes their characteristics, classification and fields of application. In the experimental part the stability study of hydrogels based on polyacrylic acid containing whey proteins, vitamins and other active ingredients was carried out. Prepared hydrogels were subjected to accelerated stress test, during which the ph and the viscosity (by Vibro viscometer SV-10) was measured. The microbiological tests were carried out as well as evaluation of the client's comfort. Keywords: hydrogel, whey proteins, stability study, stress tests, viscosity

7 Chtěla bych zde tímto poděkovat vedoucí diplomové práce Ing. Zuzaně Kolářové Raškové, Ph.D. a konzultantce Ing. Věře Halabalové, Ph.D. za jejich vedení, čas, cenné rady, připomínky a pomoc, které mi byly poskytnuty během vypracovávání této práce. Dále bych chtěla poděkovat paní Ing. Daniele Veselé za cenné rady a pomoc při práci v mikrobiologické laboratoři. Také děkuji své rodině a příteli za poskytnuté podmínky k napsání této práce a podporu při studiu na vysoké škole. Prohlašuji, že odevzdaná verze bakalářské práce a verze elektronická nahraná do IS/STAG jsou totožné.

8 OBSAH ÚVOD I TEORETICKÁ ČÁST HYDROGELY PŘÍPRAVA HYDROGELŮ KLASIFIKACE HYDROGELŮ Dělení podle původu gelotvorné látky Dělení podle elektrického náboje VYUŽITÍ HYDROGELŮ Biomedicínské a farmaceutické aplikace Využití v dermatologii a kosmetice SYROVÁTKOVÉ BÍLKOVINY PŘEHLED A VLASTNOSTI SYROVÁTKOVÝCH BÍLKOVIN β-laktoglobulin α-laktalbumin Imunoglobuliny Glykomakropeptid Bovinní sérum albumin Laktoferin Laktoperoxidáza FORMY SYROVÁTKOVÝCH BÍLKOVIN Sušená syrovátka Syrovátkový koncentrát (WPC) Syrovátkový izolát (WPI) VÝROBA PRODUKTŮ SYROVÁTKOVÝCH BÍLKOVIN Membránová filtrace Iontově výměnná chromatografie VYUŽITÍ SYROVÁTKOVÝCH BÍLKOVIN Využití v potravinářství Terapeutické aplikace Využití v kosmetice DALŠÍ SLOŽKY POUŽÍVANÉ V KOSMETICE LÁTKY ZVYŠUJÍCÍ STABILITU KP Antioxidanty Konzervační látky VYBRANÉ BIOAKTIVNÍ LÁTKY Glycerol Panthenol Kyselina hyaluronová a její soli Ichtamol Vitaminy Rostlinné silice... 39

9 4 STABILITNÍ STUDIE NÁLEŽITOSTI STABILITNÍ STUDIE Zrychlené a zátěžové testy Testování změn vlastností KP Hodnota ph Viskozita STABILITNÍ STUDIE HYDROGELŮ CÍLE PRÁCE II PRAKTICKÁ ČÁST CHEMIKÁLIE A ZAŘÍZENÍ POUŽITÉ CHEMIKÁLIE POUŽITÉ PŘÍSTROJE POUŽITÉ POMŮCKY POSTUPY MĚŘENÍ PŘÍPRAVA HYDROGELŮ PŘÍPRAVA ZÁSOBNÍCH ROZTOKŮ STANOVENÍ VISKOZITY A HODNOTY PH HODNOCENÍ MIKROBIOLOGICKÉ STABILITY Zkouška účinnosti protimikrobních konzervačních látek Difuzní agarový test HODNOCENÍ KLIENTSKÉHO KOMFORTU RÁMCOVÉ SLOŽENÍ HYDROGELŮ VÝSLEDKY A DISKUZE STANOVENÍ VISKOZITY A PH HODNOCENÍ MIKROBIOLOGICKÉ STABILITY HODNOCENÍ KLIENTSKÉHO KOMFORTU ZÁVĚR SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY SEZNAM POUŽITÝCH SYMBOLŮ A ZKRATEK SEZNAM OBRÁZKŮ SEZNAM TABULEK... 83

10 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická 10 ÚVOD Hydrogely jako zesítěné hydrofilní polymery poskytují ve svém hydratovaném stavu vynikající fyzikální, chemické i environmentální vlastnosti. Tyto vlastnosti činí hydrogely neocenitelné v mnoha oborech, zahrnujících zemědělství, zdravotnický a farmaceutický průmysl, včetně kosmetiky, hygieny aj. V kosmetice a dermatologii jsou potom hydrogelové základy využívány především díky jejich rychlému vstřebávání do povrchových struktur pokožky a tím rychlejšímu účinku aktivních látek, které se z gelových forem uvolňují a vstřebávají rychleji než například z mastí. V kosmetických přípravcích jsou často využívány hydrogely na bázi kopolymerů kyseliny akrylové (karbomery). Syrovátka jako vedlejší produkt výroby sýrů a kaseinu obsahuje mimo řady hodnotných bílkovin také laktózu, lipidy, vitamíny a minerální látky pocházející z mléka. Z mnoha studií vyplívá, že právě zmiňované syrovátkové bílkoviny mají jednu i více biologických aktivit, což je potenciální výhodou z hlediska výživy a zdraví. Mimo potravinářství nacházejí uplatnění také ve zdravotnickém, farmaceutickém i kosmetickém průmyslu. Vzhledem k poměrně nízké stabilitě hydrogelových matric v přítomnosti vitamínů, bílkovin a dalších aktivních látek, není snadné připravit výrobek, který by splňoval požadavky všech angažovaných skupin (spotřebitelů, mikrobiologů, dermatologů, atd.). Cílem diplomové práce je vyrobit gelový balzám na vlasy s obsahem syrovátkových bílkovin jako aktivní složky, pokusit se nalézt pro tento výrobek vhodný konzervační systém a provést jeho stabilitní studii. Jedním z požadavků bylo, aby gel obsahoval co nejvíce vitaminů (především skupiny B) a další aktivní látky vhodné pro daný typ výrobku. Tyto látky jsou spolu s charakteristikami a využitím hydrogelů a syrovátkových bílkovin popsány v teoretické části práce. Praktická část je v podstatě stabilitní studií připravovaného výrobku pomocí zrychleného zátěžového testu. Zahrnuje měření ph a viskozity (pomocí vibračního viskozimetru) a také hodnocení klientského komfortu. Mikrobiologická stabilita je pak hodnocena zkouškou účinnosti protimikrobních konzervačních látek a pomocí difuzního agarového testu.

11 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická 11 I. TEORETICKÁ ČÁST

12 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická 12 1 HYDROGELY Gely obecně jsou rosolovité disperzní systémy složené z kapalné fáze (disperzní prostředí) a bobtnající neboli gelotvorné látky (dispergovaná fáze). Jedná se o přechodovou soustavu mezi koloidní a hrubou disperzí, pro kterou je charakteristická spojitost nejen disperzního prostředí, ale také dispergované fáze [1, s. 130][2, s. 114]. Souvislou strukturu dispergované fáze představuje trojrozměrná síť, která je tvořena spojováním částic vlivem chemických a fyzikálních sil. Přestože je disperzní prostředí kapalné, mají gely v důsledku existence povrchové sítě mechanické vlastnosti charakteristické pro tuhý stav [3, s. 48]. Podle typu disperzního prostředí se gely rozdělují na hydrogely a lipogely. Hydrogely jsou tvořeny hydrofilním rozpouštědlem (nejčastěji vodou) a gelotvornou látkou, kterou může být například škrob, deriváty celulózy, polyakryly, hydratovaný oxid křemičitý aj. Oproti tomu lipogely jsou tvořeny rozpouštědlem hydrofobním, tedy látkami tukové povahy (např. mastnými oleji, různými vosky, parafinovými uhlovodíky či vazelínou) a gelotvornou látkou je nejčastěji koloidní oxid křemičitý [2, s. 114, 118] [4, s. 67]. Jednou z definic hydrogelů může být například, že jsou to trojrozměrné sítě složené z hydrofilních homopolymerů nebo kopolymerů, schopných bobtnat ve vodě a zároveň absorbovat a zadržovat její velké množství. Přirozeně se vyskytující látky s těmito vlastnostmi hrají velmi důležitou roli ve všech formách života. Vzhledem k vysokému obsahu vody v hydrogelech, jejich konzistenci a mechanickým vlastnostem (měkkost a poddajnost) jsou kompatibilní s většinou živých tkání. Díky tomu jsou hydrogely na bázi přírodních i syntetických materiálů široce využívány v klinické a experimentální medicíně pro řadu biomedicínských aplikací, včetně tkáňového inženýrství a regenerativní medicíny, i v mnoha dalších průmyslových odvětvích [5, s. vii][6, s. ix]. 1.1 Příprava hydrogelů Hydrogely mohou být připravovány různými způsoby v závislosti na povaze gelotvorné látky. Jedním ze způsobů je rozpouštění gelotvorných látek na dostatečně koncentrovaný roztok, kdy želatinizace (rosolovatění) nastává po následném ochlazení. Další možností je nabobtnání gelotvorné látky v rozpouštědle. Speciálním případem jsou pak tzv. karbopolové gely (karbomery), u kterých želatinizace nastává po úpravě ph karbomerového roztoku na neutrální hodnotu [1, s. 130]. Karbomery (vysokomolekulární zesítěné polymery kyseliny akrylové) jsou bílé hygroskopické prášky a postup přípravy

13 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická 13 karbomerového gelu je znázorněn na Obr. 1. Před kontaktem s vodou (v práškové formě) je zesítěný řetězec polyakrylové kyseliny pevně stočený. Po rozpuštění ve vodě vzniká polymerní disperze (ph 3) a řetězec polyakrylové kyseliny se začíná rozplétat. Posledním krokem je pak neutralizace zásaditou látkou (např. NaOH, KOH, NH 4 OH či trietanolaminem), kdy dochází k vytvoření záporného náboje podél hlavního řetězce a tyto odpudivé síly zcela rozpletou řetězec polymeru, čímž vzniká polymerní gel [7]. Obr. 1. Postup přípravy karbomerového gelu a znázornění struktury řetězce [7] 1.2 Klasifikace hydrogelů Hydrogely mohou být klasifikovány z mnoha různých hledisek. Například podle původu gelotvorné látky, elektrického náboje, způsobu přípravy, struktury a fyzikálních vlastností, způsobu síťování, atd., z nichž pozornost bude dále věnována prvním dvěma dělením Dělení podle původu gelotvorné látky Podle původu gelotvorné látky se rozlišují hydrogely přírodní a syntetické. Přírodní hydrogely jsou tvořeny přírodními polymery na bázi proteinů (např. kolagen, želatina) nebo polysacharidů (škrob, algináty a agaróza). Syntetické polymery používané k výrobě hydrogelů jsou vyráběny chemickou syntézou. Během posledních dvou desetiletí byly přírodní hydrogely postupně nahrazeny syntetickými, které mají dlouhou životnost, vysokou schopnost absorpce vody a vysokou pevnost gelu. Syntetické polymery mají navíc

14 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická 14 obvykle dobře definované struktury, které mohou být upravovány k získání požadovaných vlastností, funkčnosti, rozložitelnosti, odolnosti vůči změnám teploty atd. [8]. Mezi typické zástupce syntetických hydrogelů patří gely kyseliny akrylové a karbomery. V literatuře se můžeme setkat také s pojmem polosyntetické hydrogely, mezi které lze zařadit deriváty celulózy, nejčastěji její ethery (methylcelulóza, hydroxyethylcelulóza (HEC), hydroxypropylcelulóza (HPC), karboxymethylcelulóza (CMC), aj.) [2, s. 116] Dělení podle elektrického náboje Na základě přítomnosti či nepřítomnosti elektrického náboje polymerního řetězce se hydrogely rozdělují na neionické a ionické, a ty dále na anionické, kationické a amfoterní. Zvláštním skupinou jsou pak hydrogely s hydrofilní strukturou, která současně obsahuje hydrofobní skupiny [5, s. 5][8]. Zmiňované typy hydrogelů vyžadují pro bobtnání různé podmínky a jejich struktury jsou znázorněny na Obr. 2. Obr. 2. Rozdílné struktury hydrogelů [5, s. 5] Neionické polymery tvořící hydrogely, jako jsou např. polyvinylpyrolidon (PVP), polyvinylalkohol (PVA) a polyethylenoxid (PEO, též polyethylenglykol PEG), bobtnají ve vodném prostředí díky interakci polymeru s vodou a nejsou závislé na změnách ph. Oproti tomu ionické hydrogely jsou na změnách ph závislé a ph prostředí určuje stupeň disociace polymerních řetězců. Kationické polymery nesou kladný náboj a lépe bobtnají v kyselém prostředí, protože disociace jejich řetězců nastává při nízkých hodnotách ph. Naopak

15 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická 15 anionické polymery nesou záporný náboj a disociují při vyšším ph, tedy lépe bobtnají v neutrálních až zásaditých roztocích. Typickými zástupci anionických hydrogelů jsou karbomery. Amfolytické polymery nesou jak pozitivní tak negativní náboj a v závislosti na ph prostředí mají kationický nebo anionický charakter. Základním stavem amfolytických hydrogelů je izoelektrický bod představující hodnotu ph, při kterém nese řetězec stejné množství záporně a kladně nabitých skupin. Typickým zástupcem této skupiny je například želatina [5, s. 5]. Hydrofobně modifikované hydrogely jsou tvořeny, jak již bylo řečeno, hydrofilním řetězcem s navázanými hydrofobními skupinami. Rovnováha mezi hydrofilními a hydrofobními interakcemi se ve vodném roztoku mění v závislosti na teplotě. Při určité teplotě dochází ke shlukování hydrofobních skupin, což je příčinou vzniku gelové struktury [5, s. 5]. 1.3 Využití hydrogelů Hydrogely jako zesítěné hydrofilní polymery poskytují ve svém hydratovaném stavu vynikající fyzikální, chemické i environmentální vlastnosti. Tyto vlastnosti činí hydrogely neocenitelné v mnoha oborech, zahrnujících zemědělství, zdravotnický a farmaceutický průmysl, včetně kosmetiky, hygieny atd. [5, s. 15]. Obr. 3. Využití hydrogelů [5, s. 13] Jak je znázorněno na Obr. 3, hydrogely mohou být použity jako bobtnací (absorbční) činidla nebo jako nosiče aktivních látek. Hydrogely s vyšší bobtnací kapacitou jsou většinou používány jako součást hygienických prostředků (dětské pleny, menstruační vložky) či v zemědělských oblastech, díky schopnosti zadržovat vodu či jiné vodné roztoky. Oproti tomu hydrogely s nižší bobtnací kapacitou jsou obecně využívány jako

16 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická 16 nosiče aktivních látek, konkrétně léčiv, pesticidů, bílkovin, barviv aj. Používané hydrogely jsou však většinou vždy speciálně navrženy a vyrobeny tak, aby bylo dosaženo požadovaných vlastností pro konkrétní použití v téměř jakémkoliv oboru [5, s ] Biomedicínské a farmaceutické aplikace Přírodní i syntetické hydrogely jsou používány v klinické a experimentální medicíně pro velkou škálu aplikací, zahrnující především tkáňové inženýrství a regenerativní medicínu (např. chirurgické stehy, umělé orgány, protézy měkkých tkání a měkké kontaktní čočky). Dále také nacházejí uplatnění jako membrány pro biosenzory, jako bariérové materiály k regulaci biologických srůstů, využívají se k separaci biomolekul a buněk, k buněčné imobilizaci a v neposlední řadě také jako nosiče léčiv [6, s ]. Cílem regenerativní medicíny je nahradit, obnovit nebo doplnit nemocné či poškozené tkáně. Hydrogely jsou v tomto ohledu vhodnými materiály, díky vlastnostem podobným přírodnímu mimobuněčnému prostředí. Vysoký obsah vody a měkká konzistence hydrogelů přispívá k jejich podobnosti s přírodní živou tkání, více než kterákoli jiná třída syntetických biomateriálů. Další výhodou ve využití v tomto odvětví je také jejich vysoká biokompatibilita [6, s. 1, 141]. Využití biokompatibilních hydrogelů ve tkáňovém inženýrství je oblastí intenzivní výzkumné činnosti a používané materiály zahrnují jednak přírodní (např. fibrin, kolagen a želatina) i syntetické polymery [9, s. 619]. Hydrogelové matrice jsou využívány k opravám a regeneraci široké škály tkání a orgánů, např. tkáně chrupavky, kostní a nervové tkáně, ledvin, jater apod. Tkáňové inženýrství kloubní chrupavky využívá hydrogely (na bázi přírodních proteinů či polysacharidů), které napodobují kolagenové sítě mezibuněčné hmoty chrupavky. Ty se používají k léčbě defektů chrupavky nejen k dočasnému zmírnění bolesti, ale také k podpoře proliferace (obnově růstu) chondrocytů a regeneraci [10]. Pro použití v tkáňovém inženýrství centrální nervové soustavy (CNS) jsou velmi vhodné biomimetické gely, tzv. biogely, které představují novou třídu biologických materiálů s výjimečnými vlastnostmi. Použití biogelů pro zapouzdření nervových buněk má za následek, oproti tradičním technikám náhrady nervové tkáně, výrazné zvýšení integrace a dlouhodobé přežití implantované nervové tkáně. Vývoj nervových buněk na bázi biogelů bude mít v budoucnosti zásadní dopad v prevenci nebo ke zmírnění účinků neurologických poruch prostřednictvím doplnění nebo nahrazení nervové tkáně [6, s. 505].

17 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická 17 Jako umělé orgány jsou využívány například hydrogely polyhydroxyethylmetakrylátu (PHEMA) a jeho kopolymerů, které fungují jako hemodialyzační membrány umělých ledvin. Umělá ledvina funguje jako hemodialyzační stroj, který čistí krev lidí se selháním ledvin (mimo tělo). Umělé ledviny, které mají ve své struktuře zabudované živé ledvinné buňky, mohou produkovat důležité hormony, zpracovávat metabolity, a zajistit imunitní funkce, což samotná dialýza neumí. Hydrogel má také velmi příznivé vlastnosti pro zapouzdření hepatocytů (jaterních buněk), je s nimi biokompatibilní a má schopnost tyto buňky udržovat ve funkčním stavu po delší dobu. Umělý hybridní systém podporující játra byl vyvinut jako hydrogel alginátu vápenatého se zabudovanými hepatocyty. Výsledky experimentu prokrvení ex vivo u kočky s akutní jaterní nedostatečností ukázaly, že tento systém má schopnost nahradit funkci jater [10, s. 619]. Výhodou některých hydrogelů určených k biomedicínským aplikacím je, že nejsou trombogenní, takže mohou být použity v kontaktu s krví a jsou tedy vhodné k léčbě ran, např. jako součást obvazových výrobků [5, s. 15]. Hydrogelové obvazy mají výhodné vlastnosti, které zahrnují např. okamžitou kontrolu bolesti, snadnou výměnu a manipulaci, transparentnost, jež umožňuje sledovat léčbu, absorpci a prevenci ztráty tělesných tekutin, dobrou přilnavost, propustnost kyslíku, kontrolu uvolňování léčiva a v neposlední řadě také slouží jako bariéra proti bakteriím [9, s. 620]. Mohou být použity ve dvou podobách, buďto jako amorfní gel nebo jako pružné pevné pláty (listy) či fólie. Při aplikaci na ránu ve formě gelu vyžadují obvykle hydrogelové obvazy sekundární krytí, například gázou a je třeba jejich častá výměna. Oproti tomu u hydrogelových plátů/fólií, jako polopropustných membrán je řízen přenos vodní páry skrz tuto vrstvu automaticky, a tedy sekundární krytí nevyžadují [11]. Jako obvazové materiály byly již zkoumány hydrogely na bázi kolagenu, PVA, PVP, PVA/PVP a PEO/PVA. Kolagenové hydrogely mají vysokou pevnost, nízkou roztažnost, kontrolovatelné zesítění a nízkou antigenitu. In vivo studie ukázaly, že použití hydrogelů na bázi kolagenu dovoluje buněčnou migraci, potlačuje koncentraci rány a celkově tak urychluje hojení ran. PVA/PVP hydrogely jsou pak slibné pro použití jako obvazové krytí popálenin [9, s. 621]. Poslední zmiňovanou skupinou je rozsáhlé využití hydrogelů jako systémů pro přenos a řízené uvolňování léčiv. Jedním z příkladů může byt chirurgická implantace léčiva v hydrogelu do těla, kde se přímo v postiženém místě lék uvolňuje difuzí nebo rozpadem hydrogelové matrice. Polymery používané jako nosiče léčiv musí být biokompatibilní, rozložitelné a jejich degradační produkty musí být netoxické a neměly by vytvářet žádnou

18 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická 18 zánětlivou reakci [9, s. 617]. K těmto aplikacím jsou vhodné hydrogely reagující na určitý podnět nebo tzv. chytré hydrogely, které procházejí velkými konformačními změnami při nepatrných změnách prostředí, jako je např. změna ph, teploty, iontové síly, tlaku, složení rozpouštědla, složení pufru, magnetického nebo elektrického pole či jejich kombinace. Tyto změny mají za následek fázové oddělení z vodného roztoku, které způsobí uvolnění léčiva obsaženého v hydrogelu. Během několika posledních desetiletí došlo k obrovským pokrokům v systémech podávání léčiv s řízeným uvolňováním na bázi hydrogelů a jejich vývoj se dále zabývá zkoumáním oblastí, kterými jsou např.: - umožnění in vivo aplikací léčiv uvolňujících se z hydrogelů, - prodloužení doby trvání uvolňování léčiva, buď rozšířením interakce léčiva s hydrogelem nebo změnou gelové mikrostruktury (hromadné či povrchové), - rozvoj aktivovaného podávání léků v reakci na biologické podněty, - a rozšíření nabídky moderních účinných látek, například zabudováním hydrofobních míst [6, str ]. Pro farmaceutické účely jsou využívány na pomoc správného rozpadu tablet a kapslí lékových forem např. CMC, PVP a sůl karboxymethylškrobu. Zástupcem přenašečů bioaktivních látek s řízeným uvolňováním je např. želatina zesítěná genipinem [5, s. 15]. Mezi léčiva dodávané v současné době do těla pomocí hydrogelů jako polymerních přenašečů, patří např. nitroglycerin a hormony progesteron či inzulín [9, s. 618]. Rychlost uvolňování léčiva se snižuje s nárůstem molární hmotnosti léčiva. Obecně platí, že hydrogely jsou vhodné pro řízené uvolňování většiny látek s nízkou molekulovou hmotností, tj. vodorozpustných léčiv. Kinetika uvolňování antimikrobiálních činidel jako je lysozym, nisin a benzoan sodný, byla studována u síťovaných PVA hydrogelů [5, s. 15][9, s. 617] Využití v dermatologii a kosmetice V dermatologické terapii jsou hydrogely široce používány. Hovoří se zde o tzv. hydrogelových základech, které jsou využívány jako nosiče aktivních látek a léčiv. Tyto látky se do povrchových struktur pokožky uvolňují a resorbují rychleji než z mastí, ale jejich účinnost více povrchová. Při kontaktu s kůží se hydrogely transformují do tekuté podoby a rychle se vstřebávají, podobně jako vodné roztoky. Samy o sobě působí chladivě a výhodou je také snadná smývatelnost vodou. Opakované nanášení na kůži však vede k odmaštění kožního povrchu a k přesušení kůže, a tedy hydrogely nejsou vhodné pro delší

19 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická 19 aplikaci na primárně suchou pokožku. Vhodná je jejich aplikace do vlasaté části hlavy a na sliznice, kde obecně prodlužují čas kontaktu léčiva s daným místem [4, s. 67][2, s. 114]. Jako zevní léčiva s chladivým účinkem se hydrogely používají u svědivých a mírně zánětlivých kožních afekcí (vyrážek), jako je např. solární dermatitida (kožní reakce na slunce), urtikariální exantém (kopřivka) či reakce po bodnutí hmyzem. Léčebná aplikace gelových základů je závislá na typu použitých léčiv, jmenovitě například léčiv antiaknózních, antiseboroických, antiseptických apod. [4, s. 67]. Farmaceuticky se využívají hydrogely přírodní, syntetické i polosyntetické. Mezi přírodní lze zařadit gely škrobové (především glyceroly škrobu), tragantové, bentonitové, či gely oxidu křemičitého. Mezi polosyntetické pak hydrogely derivátů celulózy, nejčastěji methylcelulózy a sodné soli karboxymethylcelulózy. A konečně mezi syntetické hydrogely používané v tomto odvětví patří gely kyseliny akrylové a karbomery. Český lékopis 2009 uvádí karbomery jako vysokomolekulární polymery kyseliny akrylové síťované s polyalkenylethery cukrů nebo polyalkoholů. Karbomerové gely jsou bezbarvé, průhledné a působí silně chladivě. Samostatně je možno použít karbomerový gel jako lubrikans (např. gely pro sonografii) nebo jako základ gelů určených k použití na sliznici dutiny nosní, oční i ušní [2, s ]. V kosmetice jsou gelové přípravky také poměrně oblíbené, především díky své estetické přitažlivosti a křišťálovému vzhledu, který vyvolává dojem čistoty. Využití nacházejí především jako zahušťovadla (regulátory viskozity), suspenzní činidla, stabilizátory a nosiče aktivních látek [1, s. 164][12, s. 535][13]. Některé látky sloužící k přípravě hydrogelů, které jsou v kosmetice využívány jako zahušťovadla, jsou uvedeny v Tab. 1. Tab. 1. Vybrané gelotvorné látky využívané v kosmetice jako zahušťovadla [14, s. 10] Neionické Hydroxymethylcelulóza Hydroxyethylcelulóza Hydroxypropylcelulóza Hydroxypropylmethylcelulóza Guma guar, Maltodextrin, Dextran Kopolymery polyethylenglykolů Anionické Kyselina akrylová Akryláty a metakryláty (kopolymery) Karbomery Karagenany Karboxymethylcelulóza Arabská guma, Xanthanová guma

20 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická 20 Z Tab. 1 je patrné, že jako regulátory viskozity mohou být v kosmetice použity deriváty celulózy (HEC, HPC, CMC atd.). Jsou to látky poměrně stabilní a nedráždivé. Jejich nevýhodou je však složitější proces rozpouštění, což snižuje jejich technologickou hodnotu a při přípravě kosmetických přípravků proto nejsou příliš často využívány [1, s. 164]. Přesto však můžeme tyto látky najít např. v recepturách některých šamponů, tekutých mýdel, sprchových gelů, zubních past, make-upů, vlasových gelů, aj. [15]. Nejčastěji používané gelotvorné látky k přípravě hydrogelů v kosmetice jsou karbomery. Karbomer, dle INCI (Mezinárodní názvosloví kosmetických přísad) Carbomer, je jako kosmetická přísada řazen do kategorií stabilizátorů emulzí, gelotvorných látek a regulátorů viskozity (zahušťovadel) [16]. Díky těmto vlastnostem jsou karbomery součástí gelů na ošetřování rukou, gelů po holení, vlasových gelů a fixátorů, šamponů, nejrůznějších masek na obličej, čistících mlék, opalovacích gelů a pěn, gelových sér s aktivními látkami proti stárnutí a vráskám, a mnoha dalších přípravků [1, s. 130][15][16]. Existuje nepřeberné množství komerčních přípravků na bázi karbomerů, například Carbopol, Acrypol, Optasense TM, Tego Carbomer, Polygel CA, Synthalen, atd. Za těmito komerčními názvy obvykle následuje číslo, které udává molární hmotnost. Například označení Carbopol 940 říká, že tento karbomerový prášek má molární hmotnost 940 g.mol -1 [2, s. 117][16]. Výrobou hydrogelových produktů pro využití v kosmetice se zabývá také firma Hydromer, Inc. Jedná se konkrétně o produktové řady Aquatrix II a Aquamere. Hydrogely Aquatrix II, dle INCI PVP/Carboxymethyl Chitosan jsou založeny na kombinaci dvou biokompatibilních polymerů PVP a chitosanu. Tyto hydrogely jsou díky svým vynikajícím soudržným, elastickým, absorpčním, zvláčňujícím a dalším vlastnostem ideální pro širokou škálu kosmetických přípravků včetně pleťových masek, hydratačních šamponů, kondicionérů, stylingových přípravků, aj. a mají také rozsáhlé použití v oblasti zdravotnictví. Produktová řada Aquamere se skládá ze čtyř různých sérií výrobků (série H, A, S a C), které se liší fyzikálními vlastnostmi a chemickým složením. V závislosti na konkrétní sérii dodávají tyto formulace různé stupně viskozity, lesku a typy základů kosmetických výrobků. Všechny polymery v rámci každé řady mají schopnost tvořit komplex s celou řadou účinných látek a organických molekul, jako jsou barviva, UV absorbenty aj. Tyto výrobky nacházejí uplatnění v tělových a opalovacích přípravcích, ve vlasové a dekorativní kosmetice, včetně barev na vlasy atd. [17][18].

21 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická 21 2 SYROVÁTKOVÉ BÍLKOVINY Bílkoviny neboli proteiny jsou přítomny ve všech živých tkáních a hrají klíčovou roli v mnoha biologických procesech. Je známo, že bílkoviny představují cenný obnovitelný zdroj a řada z nich je zpracovávána v průmyslovém měřítku v mnoha odvětvích zahrnujících potravinářství, kosmetiku, farmacii, lékařství, obalové materiály, lepidla, nátěrové hmoty, atd. [19, s. 1]. Syrovátkové bílkoviny tvoří spolu s kaseiny dvě hlavní skupiny bílkovin mléka. Kravské mléko obsahuje asi 3,5 % bílkovin, z čehož 80 % jsou kaseiny a zbývajících 20 % představují syrovátkové bílkoviny. Syrovátka je pak přirozený vedlejší produkt procesu výroby sýra. Je to nažloutlá tekutina, která vzniká po úmyslném sražení mléka a odstranění vysráženého kaseinu (sýřeniny). Z této tekutiny jsou poté za použití různých technik separace a čištění získávány syrovátkové bílkoviny. Mimo zmiňovaných bílkovin obsahuje syrovátka také laktózu, lipidy, vitamíny a minerální látky pocházející z mléka [20][21]. Syrovátkové bílkoviny obsahují všechny esenciální aminokyseliny a v porovnání s ostatními bílkovinami z jiných zdrojů dosahují v žebříčcích hodnocení kvality bílkovin jedněch z nejvyšších hodnot [21]. Vzhledem k tomu, že všechny hlavní druhy syrovátkových bílkovin jsou globulární proteiny s definovanou terciární a často také kvartérní strukturou, jsou náchylné k denaturaci pomocí tepelného zpracování. Syrovátka však většinou prochází tepelnými zákroky odlišné závažnosti ještě předtím, než začne výroba samotných syrovátkových bílkovin [19, s. 31]. Pokroky ve zpracovatelských technologiích vedly k průmyslové výrobě různých produktů s různým obsahem bílkovin z tekuté syrovátky. Tyto výrobky mají různé biologické aktivity a funkční vlastnosti. Důsledkem technologických pokroků se rozšířilo komerční využití syrovátkových bílkovin a jejich produktů [20]. 2.1 Přehled a vlastnosti syrovátkových bílkovin Hlavní syrovátkové proteiny jsou β-laktoglobulin (β-lg), α-laktalbumin (α-la), bovinní sérum albumin (BSA) a těžké a lehké frakce imunoglobulinů (Ig). Další důležité proteiny nalezené v syrovátce, ale přítomné v menších množstvích, jsou laktoferin (LF) a laktoperoxidáza (LP). Syrovátka může obsahovat také proteoso-peptony, glykomakropeptidy a nízkomolekulární produkty vytvořené enzymatickou hydrolýzou z kaseinů v průběhu procesu výroby sýra [22, s. 15].

22 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická 22 Složení syrovátky a syrovátkových výrobků závisí na metodách výroby, čištění a výsledné koncentraci produktu. Zastoupení a některé fyzikální vlastnosti syrovátkových bílkovin jsou uvedeny v Tab. 2. Tab. 2. Typické složení a fyzikální vlastnosti bílkovin v syrovátce [22][23] Složka Obsah [%] Molární hmotnost ph izoelektrického [kg/mol] bodu β-laktoglobulin ,4 α-laktalbumin ,4 Imunoglobuliny Glykomakropeptid ,6 < 3,8 Sérum albumin ,1 Laktoferin ,9 Laktoperoxidáza 0,5 78 9, β-laktoglobulin β-laktoglobulin (β-lg) je typický globulární protein a představuje přibližně polovinu syrovátkových bílkovin kravského mléka, zatímco mateřské mléko β-lg neobsahuje. Je zdrojem esenciálních aminokyselin a obsahuje relativně vysoký podíl aminokyselin s rozvětveným řetězcem (BCAAs), které mu poskytují některé silně hydrofobní oblasti. Díky vysokému obsahu BCAAs (konkrétně leucinu, izoleucinu a valinu) se řadí mezi jeden z nejbohatších zdrojů potravin těchto aminokyselin. β-lg je také bohatý na aminokyseliny obsahující síru, které mu dodávají vysokou biologickou hodnotu. Zvláště důležitý je pak cystein, protože po tepelné denaturaci reaguje s disulfidy κ-kaseinu a významně tak ovlivňuje srážení pomocí syřidla a tepelnou stabilitu mléka [23][19, s. 34][24, s. 188]. β-lg má pravděpodobně funkci přenašeče malých hydrofobních molekul včetně retinolu, který chrání před oxidací [23][24, s. 191]. β-lg představuje řadu funkčních a výživových vlastností, které činí tento protein multifunkční přísadou pro řadu potravinářských a biochemických aplikací. Kromě toho bylo prokázáno, že β-lg je vynikající zdroj peptidů s širokou škálou bioaktivity, konkrétně s účinky antihypertenzivními, antimikrobiálními, antioxidačními, antikarcinogenními, imunomodulačními, hypocholesterolemickými atd. [25, s. 20].

23 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická α-laktalbumin α-laktalbumin (α-la) je jedním z hlavních proteinů nacházející se jak v kravském, tak v mateřském mléce. Tvoří přibližně 20 až 25 % syrovátkových bílkovin a obsahuje celou řadu aminokyselin, zahrnujících snadno dostupné množství esenciálních aminokyselin (je dobrým zdrojem tryptofanu a cysteinu) a aminokyselin s rozvětveným řetězcem. Čištěný α-la má nejvíce strukturálně podobný profil aminokyselin ve srovnání s mateřským mlékem, a proto se nejsnadněji používá při výrobě kojenecké výživy [23]. α-la je součástí laktóza-syntetázy, a proto je nezbytně přítomen ve všech druzích mléka, která laktózu obsahují. Bylo zjištěno, že množství laktózy je v přímé souvislosti s množstvím α-la. Struktura této poměrně malé bílkoviny je dobře stabilizována pomocí disulfidických můstků, což znamená, že se sama o sobě může rozvinout při záhřevu a poté znovu složit do podoby blízké její nativní formě [19, s. 37] Imunoglobuliny Imunoglobuliny (Ig) tvoří % z celkového obsahu bílkovin v mlezivu, zatímco v mléce obsahují pouze 1 2 % všech bílkovin. Rozdělují se do různých tříd na základě jejich fyzikálně-chemických vlastností a biologické aktivity. Hlavní třídy zastoupené v mléce skotu a mateřském mléce jsou IgG, IgM a IgA. Základní struktura všech Ig je podobná, molekula má tvar písmene Y a skládá se ze dvou identických lehkých řetězců a dvou těžkých řetězců, které jsou navzájem spojeny pomocí disulfidových můstků. Imunoglobuliny (Ig) plní biologickou funkci protilátek a jsou přítomny v mlezivu všech kojících druhů. Hlavní funkcí Ig je tedy ochrana novorozence proti mikrobiální infekci. Propojují různé části buněčného a humorálního imunitního systému jsou schopny zabránit adhezi mikrobů, inhibují metabolismus bakterií, zvyšují fagocytózu bakterií, neutralizují toxiny a viry, atd. [25, s. 19] Glykomakropeptid Glykomakropeptid (GMP), označovaný také jako kaseinmakropeptid, tvoří % syrovátkových bílkovin. Vzniká při procesu výroby sýrů v důsledku působení syřidla (chymosinu) na kasein. GMP je přítomen pouze tehdy, pokud se při zpracování používá chymosin. Při výrobě sýrů, které se vyrábějí bez účasti syřidla (např. Cottage), GMP nevzniká. GMP je bílkovina s vysokým obsahem BCAAs a neobsahuje aromatické aminokyseliny jako je fenylalanin, tryptofan a tyrosin. Je to tedy jedna z mála přirozeně se

24 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická 24 vyskytujících bílkovin, která postrádá fenylalanin, a je proto bezpečný pro osoby trpící fenylketonurií [23] Bovinní sérum albumin Bovinní sérum albumin (BSA) je velký protein, který tvoří přibližně % syrovátkových bílkovin. Je totožný s albuminem krevního séra. V krvi má albumin řadu funkcí, avšak v mléce nemá příliš velký význam, transportuje nerozpustné volné mastné kyseliny [22, s. 8] Laktoferin Laktoferin (LF) je železo vázající glykoprotein, který se nachází v mléce a jiných tělesných tekutinách většiny druhů savců. Je dominantní složkou syrovátkové bílkoviny v mateřském mléce, ale koncentrace ve většině komerčních syrovátkových prášcích je pouze 0,35 2 %. Koncentrace LF lidského mateřského mléka a mleziva je přibližně 2 mg/ml a 7 mg/ml v daném pořadí, zatímco u kravského mléka a mleziva je to asi 0,2 mg/ml a 1,5 mg/ml [23]. LF hraje důležitou roli v obranyschopnosti. Má antimikrobiální, antioxidační, protizánětlivé i protirakovinné vlastnosti a podílí se na regulaci imunitních funkcí. Je to bílkovina, která zabraňuje množení bakterií různými mechanizmy. LF působí antibakteriálně, protože odebírá železo bakteriím, což vede k inhibici jejich růstu. Přímá vazba LF na buněčné membrány bakterií (zejména na lipopolysacharidy gramnegativních bakterií) pak způsobuje fatální strukturální škody, čímž dochází k jejich zániku [25, s. 21] Laktoperoxidáza Laktoperoxidáza (LP) je důležitý enzym přítomný ve vysokých koncentracích v kravském mléce, ale v malém množství v mléce mateřském. LP tvoří 0,25 0,5 % syrovátkové bílkoviny. Je to protein obsahující asi 0,07 % železa a skládá se ze dvou identických podjednotek. LP je jeden z nejvíce tepelně stabilních enzymů v mléce. V průběhu pasterizace (72 C, po dobu 15 sekund) není LP inaktivována, ovšem zahřátím na velmi vysokou teplotu (UHT záhřev, tj. 135 C) se tento enzym inaktivuje a používá se tak jako indikátor správného průběhu ohřevu [23][24, s ][26]. Význam tohoto enzymu spočívá vzhledem k jeho antibakteriální aktivitě. V přítomnosti peroxidu vodíku (H 2 O 2 ) katalyzuje LP oxidaci thiokyanatanu (SCN-) a některých

25 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická 25 halogenidů (jod, brom), což v konečném důsledku vytváří produkty (např. hypotiokyanát), které inhibují a/nebo zabíjejí řadu bakteriálních druhů [23][24, s. 229]. 2.2 Formy syrovátkových bílkovin Existují tři hlavní formy syrovátkových bílkovin, které vyplývají z různých technologií výroby využívaných k jejich separaci. Rozlišujeme tedy sušenou syrovátku, syrovátkový koncentrát (WPC) a syrovátkový izolát (WPI) [21]. Složení forem syrovátkových bílkovin je uvedeno v Tab. 3. Tab. 3. Složení forem syrovátkových bílkovin v % [27] Složka Sušená syrovátka Syrovátkový koncentrát Syrovátkový izolát Bílkoviny 11 14, Laktóza ,5 Mléčný tuk 1 1, , Sušená syrovátka Samotná sušená syrovátka se vyskytuje v několika různých variantách, zahrnujících sladkou či kyselou syrovátku, demineralizovanou syrovátku (primárně jako přídatná látka v potravinách, včetně kojenecké výživy) a redukované formy syrovátky [21]. Rozdíl mezi sladkou a kyselou syrovátkou spočívá v přípravě a obsahu kaseinmakropeptidu. Sladká syrovátka vzniká při klasické výrobě sýra, kdy za použití syřidla (které štěpí κ-kasein) vzniká relativně vysoké množství kaseinmakropeptidu, zatímco kyselá syrovátka obsahuje tohoto peptidu mnohem méně [19, s. 32] Syrovátkový koncentrát (WPC) Obsah bílkovin v syrovátkovém koncentrátu se může pohybovat v rozmezí %. Zpracováním syrovátky na její koncentrát je odstraňována voda, laktóza, popeloviny a některé minerální látky. V porovnání se syrovátkovými izoláty, pak syrovátkový koncentrát obvykle obsahuje další biologicky aktivní složky a proteiny, které jej činí velmi atraktivním doplňkem stravy pro sportovce [21].

26 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická Syrovátkový izolát (WPI) Izoláty obecně jsou nejčistší dostupné zdroje bílkovin a syrovátkové izoláty jich obsahují minimálně 90 % a více. Zpracováním syrovátky na izolát dochází ke značnému odstranění tuku a laktózy. Výsledkem toho je, že jedinci, kteří trpí laktózovou intolerancí, mohou většinou tyto produkty bezpečně užívat [27]. Přestože je obsah bílkovin v této formě syrovátkových bílkovin nejvyšší, v důsledku výrobního procesu pak často dochází k denaturaci bílkovin, tedy poškození struktury a ztrátě peptidové vazby, což snižuje účinnost bílkoviny [21]. 2.3 Výroba produktů syrovátkových bílkovin Složení produktů syrovátkových bílkovin je dáno nejen zdrojem syrovátky, ale také způsobem, kterým jsou bílkoviny koncentrovány před sušením. Převážná většina moderních komerčních produktů syrovátkových bílkovin je vyráběna jedním ze dvou uvedených způsobů, tedy membránovou filtrací nebo iontově výměnnou chromatografií [19, str. 32] Membránová filtrace Zpracování pomocí membrány je nejrozšířenější způsob pro výrobu WPC a některých WPI. Tento proces zahrnuje ultrafiltraci s použitím membrány za účelem odstranění vody, laktózy a minerálních látek. [19, s. 32]. Membránová filtrace je molekulární separační technika využívaná k oddělení molekul v roztoku na základě jejich velikosti. Využívá k tomu semipermeabilní (polopropustné) membrány s póry o různých rozměrech. Ty umožňují průchod rozpustným sloučeninám s nízkou molární hmotností (permeát), zatímco pro větší sloučeniny jsou nepropustné a zůstanou zachyceny na filtru (retentát) [22, s. 4]. Ke zpracování syrovátky se používá pět typů membránových filtrací, někdy v kombinaci. Jsou to ultrafiltrace (UF), mikrofiltrace (MF), elektrodialýza (ED), nanofiltrace (NF) a reverzní osmóza (RO). Ty se od sebe liší velikostí pórů membrán, což souvisí s molární hmotností prošlých a zachycených sloučenin. UF, MF, NF a RO jsou techniky tlakově řízené a jejich parametry jsou uvedeny v Tab. 4. Elektrodialýza je pak elektrochemický proces, kdy syrovátkou uvnitř komory s iontově propustnými stěnami prochází stejnosměrný proud [22, s. 4 6].

27 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická 27 Po všech typech filtrací následuje sprejové sušení do získání suchého produktu (< 5 % vlhkosti). Kombinace těchto procesů jsou využívány k výrobě syrovátkových prášků s různým obsahem bílkovin [22, s. 4 5]. Tab. 4. Tlakově řízené membránové filtrace složek mléka [22, s. 5] Typ Velikost pórů [nm] Zadržené složky MF Bakterie, kaseinové micely, tukové kuličky Molární hmotnost [kda] UF Syrovátkové bílkoviny NF < 2 Laktóza 0,1 1 RO < 2 Ionty < 0,1 Pro výrobu WPC s více jak 50 % bílkovin se používá ultrafiltrace následovaná diafiltrací (DF), což je přidání vody do retentátu následované druhou UF [21][22, s. 5]. Vzhledem k tomu, že molární hmotnost frakcí syrovátky není přesná, tato metoda může mít za následek ztrátu některých menších proteinů, zejména α-laktalbuminu. Z tohoto důvodu, některé membránově vyráběné WPC obsahují nižší hladiny α-la, než by se dalo čekat [19, s. 32] Iontově výměnná chromatografie Iontově výměnná (iontoměničová) chromatografie se používá k výrobě WPI, obvykle často také ve spojení s membránovou filtrací. Principem této metody je dělení složek podle iontového náboje. Protein se váže na iontoměnič a následuje vymývání laktózy a minerálních látek. V poslední fázi je pak provedeno vymytí proteinu pomocí změny iontového prostředí a/nebo ph [19, s. 32][21]. Tato metoda produkuje velmi čistý proteinový produkt, ale může měnit složení bílkovin výrobku, protože zachovává pouze proteiny s kladným nábojem (a kyselých izoelektrických bodů), čímž do značné míry dojde k odstranění kaseinmakropeptidu z WPI ze sladké syrovátky a ovlivnění složení k vysokému obsahu β-laktoglobulinu [19, s. 32]. 2.4 Využití syrovátkových bílkovin Kdysi dávno byla syrovátka jako vedlejší produkt výroby sýrů a kaseinu na obtíž. S postupem času a zdokonalováním vědy a techniky se však z dřívějšího problému stal

28 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická 28 zlatý důl. Pokroky ve zpracovatelských technologiích rozšířily komerční využití syrovátkových bílkovin a jejich produktů a vzhledem ke stále rostoucí celosvětové poptávce se jejich další růst a využití ještě očekává [20][22, s. 369]. Mnoho studií in vitro a in vivo ukázaly, že jednotlivé syrovátkové bílkoviny mají jednu nebo více biologických aktivit. Bioaktivní složky syrovátky mají potenciální výhody z hlediska výživy a zdraví, a proto nacházejí uplatnění především v potravinářském, zdravotnickém, farmaceutickém i kosmetickém průmyslu [20][25] Využití v potravinářství Výhody WPC a WPI v potravinářských aplikacích zahrnuje jejich vysoký obsah bílkovin, aminokyselin, nízká energetická hodnota, nízký obsah tuku a sodíku, nepřítomnost patogenů a také toxických a antinutričních látek. Součástí mnoha potravinových systémů jsou také díky funkčním vlastnostem, mezi které patří dobrá emulgační schopnost, rozpustnost, povrchová aktivita, tvorba gelu, pěny, zadržování vlhkosti a kompatibilita s ostatními složkami. Další výhodou je také jejich relativně snadná dostupnost a dojem, že se jedná o přírodní produkt [22, s. 6, 285]. Vysoká čistota bílkovin a čirost roztoků syrovátkových izolátů umožňuje jejich použití v nápojích a potravinových doplňcích. Pro svou schopnost tvorby pěny jsou často používány při výrobě zmrzlin, suflé a jiných potravinářských pěn. Nacházejí uplatnění také v pekařství, kdy kyselá sušená syrovátka zlepšuje barvu kůrky a zvyšuje chuť chleba, sušenek, sucharů a snack výrobků, kterým poskytuje zlatý povrch po upečení. Dále jsou WPC a WPI využívány při výrobě cukrovinek, polotovarů, dezertů, omáček, majonéz, kojenecké výživy, polévek, mléčných výrobků, masa, klobás, atd. [22, s. 6 10]. WPC jsou díky pozitivnímu vlivu na nárůst svalové hmoty, síly a sportovního výkonu bez významných nežádoucích účinků, také velmi oblíbené doplňky výživy mezi sportovci, především věnujících se kulturistice a fitness cvičení [28] Terapeutické aplikace Biologické složky syrovátky vykazují řadu imunitu zvyšujících vlastností. Kromě toho má syrovátka či její jednotlivé komponenty schopnost působit jako antioxidant, má protizánětlivé, antihypertenzivní, antikarcinogenní, antivirové a antibakteriální účinky a může působit jako chelatační činidlo. Primární mechanismus účinku spočívá v

29 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická 29 intracelulární konverzi aminokyseliny cysteinu na glutathion (silný intracelulární antioxidant), což může tělu pomáhat v boji proti různým nemocem [23][20]. Řada klinických studií byla úspěšně provedena za použití syrovátky v léčbě rakoviny, HIV, hepatitidy B, kardiovaskulárních onemocnění, osteoporózy, diabetes II. typu a obezity. Na imunitní modulaci se nejvíce podílejí laktoferin a imunoglobuliny, které jsou atraktivní jako funkční potraviny pro pacienty s oslabenou imunitou a jako antimikrobiální činidlo [23][22, s. 345]. V některých případech byly výhody a léčebné vlastnosti syrovátkových bílkovin a peptidů prokázány klinickými studiemi na lidech, ale většina experimentálních výsledů byla získána ze studií na zvířatech. Ve vědeckých poznatcích tedy stále existují mezery a k rozšíření terapeutického využití syrovátkových bílkovin a peptidů je tedy potřeba dalších klinických studií [20][25, s. 276] Využití v kosmetice Syrovátková bílkovina, dle INCI Whey Protein, je řazena do kategorií Hair conditioning a Skin condtitioning, tzn. látek se zvlhčujícími účinky na vlasy a pokožku. Uplatnění tedy nachází ve výrobcích, jako jsou krémy, šampony, vlasové balzámy, omlazující či rozjasňující séra aj. [29]. Komerčními složkami kosmetických přípravků na bázi syrovátkových bílkovin jsou například Lumerrin a Bioferrin 5000, což jsou přírodní látky izolované ze sladké syrovátky pomocí pokročilých frakcionačních technik. Bioferrin 5000, dle INCI Apo-Lactoferin, je biologicky aktivní protein, který byl patentován pro zvyšování koncentrace kyseliny hyaluronové v lidské tkáni vedoucí ke zvýšení hydratace pokožky po místní aplikaci a je zvláště vhodný pro použití v přípravcích na citlivou pokožku. Lumerrin, dle INCI Hydrolyzed Whey Protein, je přírodní přípravek biologicky aktivních peptidů. V hyperpigmentačních studiích, bylo prokázáno, že snižuje hromadění melaninu, a může tak být užitečný v kosmetických aplikacích pro zjasnění pokožky a minimalizaci stařeckých skvrn. Tato látka nachází uplatnění v mnoha výrobcích, jako jsou pleťové krémy a séra, krémy na ruce, tělová mléka, zklidňující krémy a mléka po opalování, či sprchové gely [29][30]. Na podporu zdravého vzhledu pokožky byla vyvinuta látka s obchodním názvem Praventin TM, což je bílkovinný komplex bohatý na laktoferin pocházející ze syrovátky,

30 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická 30 který je určen k ústnímu užívání. Vliv této látky na zdravou pokožku byl prokázán v několika studiích se skupinami amerických a asijských teenagerů. Tyto studie ukázaly, že perorálně podávaný laktoferin snižoval výskyt skvrn a zarudnutí u jedinců s problémovou pletí. Mechanismus vysvětlující pozitivní účinky této látky není dosud zcela objasněn. Avšak některé z prokázaných biologických vlastností laktoferinu kravské syrovátky (tj. antimikrobiální, protizánětlivé a antioxidační účinky) jsou pravděpodobně důležité pro prevenci a léčbu zdravé pokožky, což může být předpokladem, že Praventin působí prostřednictvím jednoho nebo v kombinaci těchto tří různých mechanismů podporujících zdravou pleť [31, s ]. Jak již vyplývá z předchozího textu, použití samotného laktoferinu jako frakce syrovátkové bílkoviny je v kosmetice pro jeho účinky velmi oblíbené. Vzhledem k potenciálnímu synergickému efektu se laktoferin používá společně s lysozymem (enzym s antibakteriálními účinky) a laktoperoxidázou do výrobků pro ústní zdravotní péči, jako jsou zubní pasty, ústní vody, hydratační gely i žvýkačky [25, s. 22]. Velmi cennou surovinou pro kosmetiku je také syrovátka z kozího mléka. Syrovátkové bílkoviny podporují hydrataci kůže, zabraňují jejímu vysušování, zlepšují její prokrvení a tím i její odolnost. Mimo prospěšné bílkoviny obsahuje kozí syrovátka také spoustu dalších prospěšných látek pro použití v kosmetice, jako jsou kyselina mléčná, citronová, antioxidanty, vitaminy skupiny B a kyselina pantotenová. Celkově jsou tedy kosmetické přípravky s obsahem syrovátky kozího mléka velmi vhodné pro ošetření citlivé dehydratované pleti a rovněž mastné problematické pleti se sklonem k akné. Používají se v léčbě a prevenci akné, atopického ekzému a lupénky [32]. Jistou zajímavostí v kosmetice je využití oslího mléka, které je svým složením velmi podobné mléku mateřskému. Minerály, vitamíny, mastné kyseliny, bioaktivní enzymy a koenzymy, laktóza a syrovátkové bílkoviny obsažené v tomto mléce, zabraňují procesu stárnutí pokožky a mají hydratační účinky [33]. Oslí mléko také podporuje proces hojení. Obsažené minerální soli podporují čištění pleti pomocí efektivního urychlení odstraňování odumřelých buněk, čímž se uvolňuje prostor pro růst nových, zdravých buněk. Obsažené látky urychlují léčbu onemocnění typu ekzému nebo lupénky a zároveň pomáhají zachovat pružnost pleti [34].

31 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická 31 3 DALŠÍ SLOŽKY POUŽÍVANÉ V KOSMETICE Počet různých druhů surovin použitelných v kosmetice se pohybuje okolo šesti až deseti tisíc. Tyto suroviny mohou být rozděleny podle různých kritérií, nejčastěji podle chemické podobnosti nebo funkce, kterou v kosmetickém přípravku (KP) zastávají. Některé ze surovin patří mezi aktivní složky, které mají blahodárné účinky na pokožku, vlasy nebo nehty a jsou obvykle používány v omezeném množství. Ostatní složky jsou potom používány k formulování výrobku nebo vytvoření vehikula, tj. základu kosmetického přípravku. Tyto látky jsou používány v poměrně velkém množství a jejich výsledná kombinace udává povahu kosmetického přípravku [1, s. 146][9, s. 10]. Podle převažujících účinků lze kosmetické suroviny rozdělit na humektanty, emolienty a okluzíva (látky lipidní povahy), emulgátory a čistící látky (tenzidy), zahušťovadla a regulátory viskozity, antimikrobika, antioxidanty, vonné látky, barviva, atd. Avšak je třeba zdůraznit, že každá látka může v KP zastávat více než jednu, ne-li řadu funkcí, a proto může být řazena i do několika ze jmenovaných skupin, které budou dále stručně popsány. Humenktanty jsou hygroskopické látky schopné vázat vodu (resp. vlhkost) v širokém rozmezí relativní vlhkosti okolí. Vlastnosti těchto látek jsou podobné látkám NMF (Natural moisturizing factor), což jsou nízkomolekulární látky, jejichž prostřednictvím jsou korneocyty (buňky nejsvrchnější vrstvy pokožky, tj. Stratum corneum (SC)) schopny zadržovat vodu ve své struktuře a je tak zabezpečena optimální hydratace kůže. Kategorizace těchto látek je obtížná a nejjednodušeji je lze rozdělit na látky totožné s NMF (např. močovina, kyselina mléčná, sodná sůl kys. pyrrolidon karboxylové, aj.) a látky, které součástí NMF nejsou. Do druhé zmíněné skupiny patří především polyoly (glycerol, sorbitol, panthenol, aj., z nichž některé budou dále podrobněji popsány), případně některé polysacharidy či hydrolyzáty bílkovin [35, s. 34, 39]. Emolienty a okluzíva jsou látky, které mají změkčující a zklidňující účinek na kůži. Tyto látky přispívají k hydrataci pokožky, avšak jiným mechanismem než humektanty a prakticky všechny přispívají ke zlepšení vzhledu pokožky. Rozdíl mezi těmito skupinami přísad je uváděn v tom, že emolienty zůstávají na povrchu kůže a působí jako mazadlo, kdežto okluzivum brání odpařování vody z povrchu kůže, čímž nepřímo zvyšuje její obsah v pokožce. Většina emolientů však také omezuje odpařování vody z povrchu kůže, čímž vykazuje v podstatě okluzivní účinek, a proto není snadné suroviny mezi tyto skupiny rozdělovat. Lepší klasifikace látek s emoliačními a okluzivními účinky je podle polarity,